Новый суперконденсатор на основе оксида марганца может сочетать емкость аккумуляторов с высокой мощностью и быстрой зарядкой суперконденсаторов, считают исследователи из штата Пенсильвания и двух университетов в Китае. Использование оксида марганца с оксидом кобальта-марганца в качестве положительного электрода и оксида графена в качестве отрицательного электрода дает асимметричный суперконденсатор с высокой плотностью энергии, замечательной плотностью мощностью и превосходной устойчивостью к циклированию.
Пять лет назад электромобили В-С-класса обходились аккумуляторами на 20-30 кВтч, пару лет назад эта норма возросла до 30-40 кВтч, а теперь мы готовимся шагнуть к отметке «60 кВт·ч»: вслед за Chevrolet Bolt ждем Nissan LEAF с аккумулятором на 60 кВт·ч. Для ТОП-моделей уже сейчас становится нормой аккумулятор емкостью около 100 кВт·ч: Jaguar i-Pace – это АКБ на 90 кВт·ч, Audi e-tron – 95 кВт·ч, Tesla Model S и Model X – до 100 кВт·ч, каждый из этих электрокаров может проехать 400-500 км при вполне реальных условиях.
В устройствах накопления энергии накопление электрического заряда называется «плотностью энергии», в отличие от «плотности мощности», которая относится к скорости доставки энергии.
Аккумуляторные батареи для электромобилей
Для потенциального владельца экологичного транспорта первым пунктом вызывающим интерес, являются аккумуляторные батареи электрокара. Поскольку этот элемент в традиционном понимании автомобиля олицетворяет топливный бак, следовательно, возникает множество аналогий и вопросов какие существуют аккумуляторные батареи и сколько они заряжаются. Аккумуляторные батареи имеют высокую плотность энергии или могут накапливать много электрической энергии, но могут заряжаться и разряжаться часами.
В большинстве современных электрических машинах используются 4 типа аккумуляторных батарей. Самые распространённые – литий-ионные, алюминий-ионные и литий-серные. Иногда применяют ещё и металл-воздушные, где в качестве металла выступают цинк, литий, натрий, магний или алюминий.
Литий-ионные АКБ – самый распространённый вариант для установки на электрических автомобилях. Преимуществами таких источников питания считают: высокую плотность накапливаемой энергии; более высокое по сравнению с другими видами АКБ напряжение; небольшой саморазряд – до 6% в месяц, до 20% в год; практически полное отсутствие «эффекта памяти», из-за которого новые батареи требуется «тренировать», используя несколько циклов заряда/разряда; сравнительно большой срок эксплуатации – не меньше 1000 циклов или 10 лет.
Недостатком Li-Ion батарей является и небольшой температурный диапазон, в котором они работают АКБ (от –20 до +50°C). При использовании за пределами этих значений характеристики батареи значительно ухудшаются – на холоде снижается ёмкость, при жаре аккумулятор может работать нестабильно. Кроме того значительная проблема Li-Ion источника питания – высокий уровень взрывоопасности при повреждении и нарушении герметичности.
Алюминий-ионные аккумуляторы. Применение алюминия в составе батареи для электромобиля повышает безопасность её использования. Кроме того, такой аккумулятор дешевле обходится при производстве. Использованию таких устройств мешает невысокая производительность катодов и меньшее количество циклов заряда/разряда.
Принцип действия литий-серных батарей основан на реакции между литием и серой. Их ёмкость примерно вдвое выше по сравнению с аналогичными по размеру литий-ионными батареями. Стоимость изготовления таких аккумуляторов ниже, а рабочий диапазон температур выше, чем у большинства других источников питания электромобилей.
Недостатком литий-сернистых АКБ является небольшое количество перезарядок (до 60). Это делает батареи непригодными для установки в серийных автомобилях. Однако над устранением недостатков уже работают специалисты нескольких компаний, включая OXIS Energy. Предполагается, что в ближайшее время стоимость поездки на аккумуляторах Li-S будет ниже, чем у современных литий-ионных версий.
Преимуществами металло-воздушных аккумуляторов являются: небольшой вес, благодаря которому снижается и масса автомобиля; большой пробег электромобилей, которые комплектуются такой батареей; сравнительно доступная стоимость; более простая утилизация по сравнению с литиевыми АКБ.
Минусами устройства является снижение производительности батареи при низкой температуре. Кроме того, такой батарее нужна система фильтрации, потребляющая почти треть общей мощности. Ещё один серьёзный минус – внезапный выход из строя металл-воздушных аккумуляторов из-за образовавшейся на их поверхности плёнки из пероксида лития. И, наконец, последний минус, из-за которого такие батареи не пользуются большим спросом – небольшое число циклов заряда/разряда – до 50-60.
Кроме основных технологий производства аккумуляторов электромобилей, существует несколько видов, которые только находятся в разработке. Предполагается, что такие аккумуляторные батареи для электромобиля получат большую ёмкость и срок службы по сравнению с существующими версиями. Одной из таких разработок является аккумулятор на основе кремния и графита, способный накапливать в 5 раз больше энергии без заметного износа.
Южнокорейскими разработчиками создана технология, вообще не требующая зарядки. Вместо подключения к электросети после у электромобиля заменяется одна алюминиевая пластина, которой хватает на 700 км пробега. Алюминий идёт на переработку и используется повторно.
Однако работа любого аккумулятора предусматривает химическое превращение энергии, а значит, для реализации процесса заряда требуется определенное время. Сокращение времени заряда зачастую отрицательно сказывается на ресурсе аккумулятора. Решив проблему быстрой зарядки можно также реализовать рекуперацию энергии, при торможении, а, соответственно, повысить экономичность электрокара и его пробег на одной зарядке.
Перспективным вариантом является применение наряду с аккумуляторами суперконденсаторов, объединенных общей системой управления.
Суперконденсаторы
Суперконденсаторы являются мостом между обычными конденсаторами и батареями, сочетающими в себе такие преимущества, как высокая мощность, высокая плотность энергии и низкое внутреннее сопротивление, которые в будущем могут заменить батареи в качестве быстрого, надежного и потенциально более безопасного источника питания для электрических и электронных устройств. Они представляют собой технологию накопления энергии, которая обеспечивает высокую плотность мощности, почти мгновенную зарядку и разрядку, высокую надежность и очень длительный срок службы. Они разрабатывались десятилетиями, но в последние годы их технология быстро развивается. Это развитие обусловлено достижениями в области наноматериалов - изогнутый графен Skeleton Technologies является ярким примером - электрификация инфраструктуры и промышленности, а также возросшие опасения по поводу эффективности использования топлива и выбросов в автомобильном и транспортном сегментах.
Они обладают следующими преимуществами: долгий срок службы: 1+ миллионов циклов зарядки или 15+ лет; высокая надежность и безопасность; не требуется обслуживания; высокая эффективность даже при экстремальных температурах, от -40°C до 65°C; плотность мощности, достигаемая батареями в 60 раз; на 30% эффективнее батарей; нет лития и других вредных материалов.
Аккумуляторы и суперконденсаторы являются взаимодополняющими технологиями: аккумуляторы обеспечивают долгосрочную энергию, а суперконденсаторы обеспечивают быструю реакцию и высокую мощность. Вместе суперконденсаторы и батареи - будущее электрокаров.
Идеальными применениями для суперконденсаторов являются условия, которые требуют высокой мощности и постоянной цикличности. Хорошим примером является, например, KERS (системы восстановления кинетической энергии), где энергия торможения сохраняется и повторно используется для ускорения или освещения.
Новый прорыв в разработке суперконденсаторов
Группа исследователей из штата Пенсильвания и двух университетов в Китае создали новый суперконденсатор на основе оксида марганца, который может сочетать емкость аккумуляторов с высокой мощностью и быстрой зарядкой как у других суперконденсаторов.
Полупроводниковые гетероструктуры стали очень многообещающими кандидатами для накопления и преобразования энергии благодаря их настраиваемым электронным и структурным свойствам благодаря рациональному дизайну и управляемому синтезу на молекулярном уровне. Общие электрохимические характеристики полупроводниковых гетероструктур часто зависят от подвижности носителей от полупроводниковых интерфейсов и фарадеевских окислительно-восстановительных реакций от их активных центров.
Оксид марганца, безусловно, является многообещающим материалом, в сочетании с оксидом марганца кобальта он образует гетероструктуру, в которой появляется возможность настроить межфазные свойства.
Группа начала с моделирования, чтобы увидеть, как изменяются свойства оксида марганца в сочетании с другими материалами. Когда они соединили его с полупроводником, они обнаружили, что он сделал проводящий интерфейс с низким сопротивлением переносу электронов и ионов. Это очень важно, потому что в противном случае материал будет медленно заряжаться.
Группа сравнила свой суперконденсатор с другими, и у них гораздо более высокая плотность энергии и мощность. Они считают, что благодаря увеличению боковых размеров и толщины, их материал может быть использован в электромобилях. Следующим шагом исследователей будет настройка интерфейса, на котором встречаются полупроводниковый и проводящий слои, для еще лучшей производительности. Они хотят добавить суперконденсатор к уже разработанной гибкой носимой электронике и датчикам в качестве источника питания для этих устройств или непосредственно в качестве датчиков с автономным питанием.
Эта работа открывает новые возможности для исследования высокопроизводительных электродных материалов, предоставляя методы управления интерфейсом в наногетероструктурах.
